Наука и удивительное (Как человек понимает природу) - Вайскопф Виктор. Страница 10
Другим примером, более близким к световым волнам, служит звуковая волна в воздухе. Колебательные изменения, которые претерпевает носитель, суть изменения давления воздуха. Если звук производит, скажем, громкоговоритель, то его поверхность движется взад и вперед, вызывая тем самым периодические увеличения и уменьшения давления в слое прилегающего к нему воздуха. Эти изменения бегут во все стороны, точно так же, как волны на поверхности воды, образующиеся при движении вперед и назад вашей руки в воде. Но в воде волны распространяются только на поверхности, а в воздухе — по всем направлениям в пространстве. Такое распространение периодических сгущений и разрежений воздуха и есть звуковая волна. Когда это колебание достигает уха, оно передает давление барабанной перепонке, заставляя ее колебаться так же, как и источник звука. Колебания барабанной перепонки мы и воспринимаем как звук. Чем меньше расстояние между гребнями и впадинами волны, или (что то же самое), чем чаще сменяются сгущения и разрежения, когда волна достигает уха, тем выше воспринимаемый нами звук. Расстояние между двумя последовательными гребнями (или впадинами) называется длиной волны, а число гребней, приходящих за 1 сек к уху (или проходящих мимо любой точки), называется частотой волны. Чем короче волна, тем больше ее частота.
Хотя Гюйгенс и не располагал большим количеством фактов, он еще в 1680 г. предположил, что свет есть волновое движение. Окончательное подтверждение того, что свет есть волна, принадлежит английскому ученому Томасу Юнгу, родившемуся в 1773 г. и первоначально изучавшему медицину. Он занимался проблемами света с 1800 г. и первый нашел решающие факты, показавшие, что свет есть волновое движение.
Почему свет — это волна?
Колебания, происходящие в световой волне, не воспринимаются непосредственно именно как колебания; в волновой природе света нас убеждают лишь косвенные данные, И по сей день наилучшее ее доказательство принадлежит Юнгу. Его доводы основаны на явлении «интерференции». Этот эффект заключается в том, что при некоторых определенных условиях свет, складываясь со светом, дает темноту. Интерференция показывает, что свет есть волна, потому что этот эффект наблюдается тогда, когда гребень одной волны совпадает с впадиной другой. Погрузите по одному пальцу на каждой руке в воду и подвигайте ими, внимательно следя за двумя возникшими волнами, идущими навстречу друг другу. Вы увидите, что волны гасятся во всех местах, в которых гребень одной волны налагается на впадину другой.
Есть много способов демонстрации этого эффекта со световыми волнами. Один из хорошо известных эффектов — появление окрашенных полос или колец, наблюдаемых при растекании тонкого слоя нефти по поверхности воды. Такая же окраска часто видна и на краях масляных пятен на мостовой, В этих случаях свет от неба или от уличных фонарей отражается сначала от верхней поверхности пленки, а затем от нижней. Колебания в световом луче, отраженном от нижней поверхности масляной пленки, отстают от колебаний в луче, отраженном от верхней ее поверхности, на расстояние, равное удвоенной толщине пленки. Оба отраженных луча «интерферируют» следующим образом: если толщина пленки составляет четверть длины волны, второй луч отстает от первого на полволны [22]. Гребень волны, отраженной от одной поверхности, налагается на впадину в отраженной другой поверхностью волне, и получается темнота. В результате интерференции белый дневной свет становится после отражения окрашенным; ведь белый цвет есть комбинация всех цветов. Некоторым цветам соответствуют как раз такие длины волн, которые гасятся при отражении. Тогда окраска отраженного цвета будет определяться остающимися цветами [23].
Вы можете наблюдать интерференционные эффекты в простом опыте. Возьмите патефонную пластинку и, держа ее на уровне глаза, осветите ее лампой так, чтобы свет лампы падал на плоскость пластинки под весьма малым углом. Вы увидите цветной узор на краю пластинки около глаза. Световые лучи, отраженные от различных бороздок, интерферируют друг с другом, давая темные и яркие окрашенные полосы.
Другой пример того же явления показан на рис. 14.
Рис. 14. Свет, падающий на экран, дает интерференционную картину.
На нем мы видим, что происходит, когда острый край бросает тень на какую-либо поверхность. Световые лучи рассеиваются на краю экрана, как показано на рис. 14.
Часть рассеянного света попадает в область тени, и поэтому близ ее края она оказывается несколько менее темной. Однако часть рассеянного света попадает в освещенную область, интерферируя там с прямым светом. Например, если рассеянный свет на своем пути к точке А проходит в обход путь, превышающий путь прямого луча на 1/2 волны (или на 3/2, или на 5/2 волны и т. д.), то оба луча дадут темноту (рис. 15).
Рис. 15. Интерференция света. Если прямой луч на 1/2, 8/2, 5/2 и т. д. длины волны короче рассеянного луча (источник — край препятствия — точка А), то в точке А будет темнота. Это рис. 14, видимый сверху.
Поэтому около края тени мы получим темные полосы. Чем меньше длина волны, тем уже полосы. Обычно эти полосы не видны невооруженным глазом, но, как показано на фото II, их можно увидеть при помощи оптических инструментов.
Эти явления, а также многие другие явления того же характера убедительно доказывают волновую природу света. Они позволяют также измерять длину световой волны. Например, зная толщину такой нефтяной пленки, которая не отражает красного света, мы можем сказать, какова длина волны этого света. Подобные измерения показали, что длины волн видимого света лежат между 4·10-5 и 8·10-5 см, причем красный свет имеет наибольшую, а фиолетовый — наименьшую длину волны. Мы знаем скорость света и поэтому можем сказать, сколько раз в секунду проходят гребни или впадины волн мимо некоторой точки. Это число называется частотой света. Оно указывает число колебаний в секунду в световой волне. Красный свет имеет частоту 4·1014/сек, фиолетовый — около 8·1014/сек. Эти колебания происходят чрезвычайно быстро, и поэтому их нельзя наблюдать непосредственно.
После того, как мы установили волновую природу света, нам приходится рассмотреть важный вопрос: каким типом волн являются световые волны? что служит их носителем и каковы те колебательные изменения, которые образуют волну? Ответ на этот существенный вопрос был получен в конце XIX века Джемсом Кларком Максвеллом и Генрихом Герцем. Совокупность идей и открытий, приведших к этому ответу, составляет одну из самых захватывающих глав в истории науки. Но прежде чем мы дадим ответ на поставленные выше вопросы, нам нужно познакомиться с двумя фундаментальными понятиями: электричеством и магнетизмом.
Электричество
Поверхностное рассмотрение явлений природы не раскрывает важнейшей роли электричества. Единственные два безусловно электрических явления в природе — это молния и электризация трением. Если первое подавляет нас своей величественностью и разрушительной силой, то второе вообще не производит на нас никакого впечатления. Электризацию трением можно иногда увидеть: при трении предметов о какое-либо вещество они притягивают кусочки бумаги и частицы пыли, а прикосновение этих предметов к металлу приводит к появлению слабеньких электрических разрядов. Эти явления не кажутся столь же важными, как тяготение и свет, и поэтому до конца XVIII века их считали менее существенными, побочными. В наше время, конечно, роль электричества особенно подчеркивается его техническими приложениями; однако истинное значение электричества в природе вышло на передний план только в последнее время, в связи с развитием атомной физики, когда оказалось, что почти все явления, которые мы видим вокруг нас в природе, основаны на электрических силах и их действиях.